Введение к работе
Актуальность темы. Под нетепловым электромагнитным излучением понимают излучение, испущенное заряженными частицами с функцией распределения, отличающейся от равновесной. Наличие таких нетепловых частиц является следствием их ускорения в результате процессов более или менее сильного энерговыделения в плазме. Другим следствием мощного энерговыделения в плазме является изменение самой среды, ее параметров и структуры. В качестве примера таких структурированных астрофизических сред можно привести многофазную межзвездную среду в нашей Галактике; возмущенную ансамблями ударных волн от вспышек сверхновых звезд горячую плазму в ассоциациях О и В звезд; атмосферы звезд (в частности, Солнца), заполненные сложными конфигурациями магнитного поля (магнитными петлями).
Наряду с указанными крупномасштабными
неоднородностями в астрофизической плазме обычно возникают и мелкомасштабные неоднородности ее параметров, связанные с возбуждением в ней коротковолновой турбулентности.
Процессы генерации и распространения электромагнитного излучения в структурированной среде могут происходить существенно иначе, чем в однородной плазме. Так, ансамбли ударных волн модифицируют спектры ускоренных частиц, что приводит к изменению спектров как синхротронного радиоизлучения, так и жесткого рентгеновского и гамма излучения. Многофазность межзвездной среды влияет как на испускание радиоизлучения, так и на его распространение (в частности, поглощение). В результате характеристики принимаемого на Земле излучения несут важную информацию о структуре и параметрах межзвездной среды.
В данной работе мы будем различать крупномасштабные и мелкомасштабные неоднородности среды. К последним относятся неоднородности с масштабами (длинами корреляции), сравнимыми или меньшими тех, на которых происходит элементарный акт испускания заряженной частицей электромагнитной волны. Иначе говоря, мелкомасштабные неоднородности плазмы влияют на микроскопический процесс излучения волн отдельной частицей, изменяя спектральные и поляризационные характеристики генерируемого излучения.
Крупномасштабные неоднородности не влияют на спектр излучения отдельной частицы. Их роль может состоять как в формировании функций распределения заряженных частиц (при ускорении ансамблем ударных волн, при движении в магнитных ловушках и т.д.), так и в модификации процессов переноса электромагнитного излучения по сравнению с аналогичной однородной плазмой.
Во всех этих случаях принимаемое на Земле излучение несет информацию о свойствах среды в астрофизических условиях. Однако, эта информация может быть получена из наблюдательных данных только на основе детально разработанной теории. Таким образом, развитие такой теории представляет собой актуальную проблему.
Целью диссертационной работы является разработка теории излучения заряженных частиц в структурированных, случайно-неоднородных астрофизических средах и ее приложение к анализу наблюдений.
Научная новизна работы состоит в следующем. Впервые разработана теория переходного излучения частиц произвольной энергии в случайно неоднородной плазме с учетом всех существенных в астрофизических условиях факторов: регулярной и стохастической кривизны траекторий, гиротропии плазмы, кулоновских столкновений, особенностей дисперсии среды вблизи собственных частот плазмы. На основании детального исследования свойств циклотронного мазерного излучения,
генерируемого степенным распределением неравновесных электронов, и их. сравнения с полным набором наблюдательных данных о солнечных миллисекундных радио спайках впервые доказано, что этот тип солнечного радиоизлучения создается циклотронным мазерным механизмом, а также впервые установлена реалистическая модель их генерации. Дана новая трактовка радиоизлучения с плоскими спектрами из протяженных НИ областей (связанных с ассоциациями О и В звезд), согласующаяся с наблюдениями в широком диапазоне электромагнитных волн (вплоть до гамма - излучения). Пересмотрена проблема формирования низкочастотного фонового радиоизлучения Галактики; в рамках новой модели получены достаточно точные оценки усредненных параметров местного межзвездного облака, окружающего солнечную систему.
Научное и практическое значение работы состоит в создании теории переходного излучения в астрофизических условиях, развитии теории циклотронного мазерного излучения, нахождении нового режима работы нелинейного плазменного механизма радиоизлучения. Полученные результаты важны как для подготовки новых наблюдательных программ, так и для интерпретации уже накопленных данных.
Апробация. Результаты работы опубликованы в 30-ти научных статьях [1-30] и представлялись на российских и международных конференциях:
Flares 22 workshop "Dynamics of solar flares", Chantilly, France, October 1619, 1990 [31];
Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы, Н.Новгород, 1992 [32-33]; IAU colloquiun N 142 "Particle acceleration phenomena in astrophysical plasmas" Maryland, USA, 1992 [3435]; CESRA workshop "Fragmented energy release in sun and stars", Utrecht, Netherlands, October 1821, 1993 [36];
CESRA workshop "Coronal magnetic energy releases", Potsdam, Germany, May 1620, 1994;
XXV радиоастрономическая конференция, Пущино, 1993 [37];
XXVI радиоастрономическая конференция, СтПетербург, 1995 [38-
39];
Межрегиональная конф. по радиоастрономическим исследованиям Солнечной системы, Пулково, 1996 [40];
Volga international summer school on space plasma physics, June 1-12, 1993;
Third Volga international summer school on space plasma physics, June 111,1997;
Результаты работы неоднократно докладывались на семинарах сектора теоретической астрофизики, ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН; кафедры теоретической физики СПбГТУ; НИРФИ, ИПФРАН (Н.Новгород).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из семи глав (включая введение и заключение) и списка литературы, всего 250 стр., 61 рис., 1 таблица. Список литературы включает 257 наименований.